戈壁地表风沙流输运特征的实验与数值模拟研究

The wind over bare surface of Gobi desert is strong and results in frequent wind-sand disasters. The wind-blown sand movement over Gobi deseart has a strong destructive on villages and small towns, transport lines as well as industrial and agricultural infrastructures. Current studies on wind-blown sand movement over Gobi deseart concentrate on field observation and wind tunnel experiment. And the pre-existing models can not accurately describe the initiation and evolution processes of wind-blown sand movement over Gobi desert. In this project, we will measure collsion recovery coefficient between sand particles and gravel, and that between sand particles and clay straum using high-speed shoot and particle image velocimetry. And we will establish the hard sphere collision model between sand particles and gravel, as well as the soft ball collision model between sand particles and clay straum. Further to exact the interaction model between sand particles and Gobi surface. Through combining largy-eddy simulation and trajectory model of particles, we will establish a model of gas-solid particle two-phase coupled processes flow over complex surface of Gobi desert. Then simulate and analyze wind-blown sand movement under different wind speeds and the underlying surface properties using high performance parallel computer group to study on turbulence characteristics of surface wind field as well as transport characteristics of wind-blown sand movement in Gobi desert. Finally we will condcut corresponding field observation and wind tunnel experiment to verify our simulated results.

戈壁地区地表裸露、风力强劲、风沙灾害发生频繁，戈壁地区风沙流对交通线路、村镇以及工农业基础设施具有强大的破坏性。目前，对戈壁地区风沙流的研究仅限于野外观测和风洞实验，而现有的风沙流运动模型无法描述戈壁地表风沙流的发生和发展过程。本项目拟采用高速摄影或PIV等设备对沙粒-砾石碰撞恢复系数、沙粒-黏土层碰撞恢复系数及冲蚀量等物理参数进行测定，在此基础上建立沙粒-砾石硬球碰撞模型和沙粒-黏土层软球碰撞模型，分析并提炼出沙粒-戈壁地表相互作用过程模型。进一步结合大涡模拟和颗粒轨道模型，建立能够描述戈壁复杂地表下复杂多相流耦合过程的风沙流运动数值模型。利用高性能并行计算机群对不同风速和下垫面性质下的风沙运动过程展开模拟与分析，研究戈壁地表风场的湍流特性以及风沙流的输运特性，同时进行相应的野外观测和风洞实验进行验证。

戈壁风沙流是戈壁地区主要的灾害形式之一，对区域乃至全球沙尘释放和输运过程具有重要影响。现有的风沙流运动数值模型无法描述戈壁地表风沙流的发生和发展过程，戈壁风沙流灾害的预测和防治仍缺少相关的理论依据和研究工具。本项目依托野外观测和室内实验，对沙粒-戈壁地表碰撞过程进行高速摄影拍摄并进行理论建模。采用实验与模拟相结合的方法，开展对沙波纹、沙粒尺度与形状、阵风等微观机理的研究以及相关仪器设备的研制。在此基础上，结合大涡模拟方法和颗粒轨道模型理论建立可描述戈壁地表的风沙输运数值模型与计算程序，并由实验结果验证计算精度。面向草方格、铁路、城市等的防沙治沙工程实践，研究复杂地表情况下风沙输运规律以及沙障的作用机理，在此基础上提出了相应的优化设计方案。结果表明：（1）相比沙漠地表的情况，沙粒在戈壁地表的碰撞过程中恢复系数更大，且由于戈壁微地形导致的随机性更大使反弹角度服从对数正态分布；（2）戈壁地区非球形沙粒的旋转运动使其与流场产生了复杂相互作用，单颗沙粒的跃移高度与距离显著增加，且双沙粒系统中沙粒空中碰撞概率降低；（3）基于随机过程的沙粒-戈壁击溅过程模型结合颗粒轨道模型的可实现对戈壁地表风沙输运过程的定量模拟，与实验吻合良好；（4）草方格内部存在强烈的具有很大瞬态速度的湍流流动，可以引发颗粒在草方格内部进行二次搬运，并由此形成中间低四周高的堆积形态；戈壁地区挡风墙背后回流区的逆向风沙流是路基上积沙的主要原因，而非通常认为的正向来流风沙流；（5）铁路桥在上风向时会影响下风向沙丘地表的平均切应力，这种影响随着距离减小而增加且靠近横梁位置处更大，相反的，沙丘在上风向时，铁路桥构型相比路基构型的情况路面积沙大幅减弱；在城市人工设施的优化设计中，砖阵沙障阵列应放置于上风向位置防沙和固沙，建筑物阵列应放置于下风向位置而板阵列应放置在沙粒易堆积位置。